Sb95840

Дифракционная структура Лазерный пучок

Рис. 4.7. Распределение экстремумов дифракционной функции

вода. Контроль распределения интенсивности в поперечном сечении дифрагированного пучка осуществляется вручную или фотографически (рис. 4.7).

Углы дифракционной расходимости θ1 и θ2 могут быть найдены эксперимен-

тально по измеренным расстояниям между экстремумами x1, x2 и расстоянию от сетки до экрана L: θ1 ≈ x1 / L, θ2 ≈ x2 / L. Используя известные из теории дифракции соотношения для θ1 ≈ λ / d и θ2 ≈ λ / D, а также их экспериментальные значения, можно оценить размеры дифракционной структуры d и D.

Порядок выполнения работы

1.Включить полупроводниковый лазер. Поочередно устанавливая на пути входного лазерного пучка стеклянные прямоугольный брусок, трубку и пруток, зафиксировать распределение интенсивности и расходимость выходных пучков для нормального и наклонного падения входного луча. Выключить полупроводниковый лазер.

2.Включить газоразрядный лазер. Измерить мощность излучения лазера

Рвх (в относительных единицах) при помощи фотодиода ФП1, установив его

взоне падающего пучка приемной площадкой в сторону лазера.

3.Снять зависимость мощности отраженного от торца световода лазер-

ного пучка Ротр = f (θпад), изменяя угол падения через 5° в пределах

5...80° и синхронно с θпад перемещая фотоприемник ФП1.

4. Установить фотоприемник ФП1 за световодом, фотоприемной пло-

41

щадкой вплотную к выходному торцу. Снять зависимость мощности, прошедшей световод Рвых = f (θпад). Угол падения изменять через 5° в пределах 0...80°. Убрать ФП1.

5. Установить торец световода на расстоянии 30…40 мм от экрана с точечным фотоприемником ФП2. Перемещая ФП2 по координате x с шагом 1…2 мм, исследовать три распределения интенсивности в поперечном сече-

нии выходного пучка Iвых = f (x): для нормального падения входного луча

(θ1 = 0) и наклонного (θ2 = 10…15° и θ3 = 20…25°).

6.Зафиксировать распределение интенсивности пучков за дифракционной решеткой, поочередно устанавливая решетку на пути входного лазерного пучка и пучка, прошедшего световод.

7.Расположить регулярную дифракционную структуру на пути входного пучка непосредственно перед лазером. Установить экран за дифракционной структурой на расстоянии L = 300…350 мм. Зафиксировать дифракционную картину. Для центрального (нулевого) максимума измерить расстояние

x1 между нулевыми значениями дифракционной функции, сформированной регулярными отверстиями диаметром d. По положению отдельных экстремумов (точек) зафиксировать период дифракционной картины x2, определяемой шагом структуры D.

8.Повторить п. 7 для расстояния L = 200…250 мм.

9.Включить подсветку передаваемого изображения. С помощью оптической системы сфокусировать изображение на входной торец регулярного световода. Перемещая выходную оптическую систему добиться появления четкого изображения на экране и зарегистрировать его.

Содержание отчета

1.Цель, содержание работы, блок-схема лабораторной установки.

2.Картины распределения интенсивности лазерного пучка после прохождения стеклянных оптических элементов: прямоугольного бруска, трубки и прутка с оценкой расходимости выходных пучков для нормального и наклонного падения входного луча.

3.Таблицы экспериментальных зависимостей Ротр = f (θпад) и Рвых =

=f (θпад).

42

4.Таблицы и графики расчетных зависимостей коэффициента отражения = Ротр / Рвх = f (θпад), коэффициента пропускания = Рвых / Рвх =

=f (θпад), коэффициента потерь в световоде = 1 – – = f (θпад).

5.Таблицы и графики распределения интенсивности в поперечном сече-

нии выходного пучка Iвых = f (x) для нормального и двух наклонных падений входного луча.

6.Картины распределения интенсивности в экстремумах дифракционных функции для двух значений расстояния L.

7.Расчет средних значений диаметра отверстий d и шага D дифракционной структуры.

8.Картины изображений, переданных по регулярному световоду, с указанием положений входных и выходных оптических элементов.

9.Выводы по работе.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ

Цель работы – ознакомление с принципом действия и устройством лазерного интерференционного измерителя изменения толщины (ИИТ) плоских прозрачных объектов.

Основные положения. Монохроматичность и высокая степень направленности лазерного излучения позволяют использовать лазеры в измерительных устройствах, основанных на интерференции оптического излучения. измерители перемещений, системы контроля температуры, измерители изменения толщины плоскопараллельных пластин, а также слоев, нанесенных на оптически прозрачные подложки. Информация о скорости нанесения или удаления слоя позволяет осуществить оперативный контроль процессов напыления, плазмохимического и ионно-химического травления при изготовлении интегральных схем.

В основе интерференционных измерителей лежит изменение средней плотности потока, обусловленное суперпозицией электромагнитных волн, отраженных от двух или более границ сред с различными показателями преломления. Изменение положения границ приводит к соответствующему изменению разности хода отдельных волн и их фаз.

43

Интенсивность суммарного отраженного пучка для двух интерферирующих волн определяется как

где А – размерный множитель; Е1 и E2 – амплитуды напряженности электрического поля; – разность фаз двух волн в данной точке.

При Е1 = E2 зависимость I = f ( ) имеет вид типа (1 + cos ). Максимумы I соответствуют условию cos = 1 или = 2m минимумы – cos = 1 или = (2m + 1) , где m = 0; 1; 2, … . Суммарная разность фаз складывается из разности фаз , обусловленной разностью хода

Сдвиг фаз волны I2 относительно I1, обусловленный L, равен = = 2 L / = 4 d n2 cos θ пр / . Поскольку волна I2 отстает от I1, то 0 и

= 1 + 2 . При θпад = 90 и n2 n1: 1 = , 2 = 0 и cos θпр = 1.

Таким образом, при изменении d изменяется , а в соответствии с (5.1) и

суммарная интенсивность I. Поскольку максимумы I соответствуют =

44

= 2m , то при оговоренных ранее условиях получим:

= 4 d n2 / = (2m + 1) .

Оценив значение d для двух произвольных значений m, различающихся на единицу, получим, что максимумы следуют через интервалы изменения

толщины: d = / (2 n2).

Изменение I удобно оценивать с помощью суммарного коэффициента отражения пластины R = I / I0 (рис. 5.2), где I0 – значение I при = 0. Ве-

личины Rmax, Rmin определяются соотношением показателей прелом-ления

n1, n2, n3. Для случая n2 n1 = n3 Rmax = (n2 n1 ) / (n2 n1) 2, Rmin = 0.

Реально из-за рассеяния, поглощения и отражения излучения Е1 E2 и Rmin 0. Значения Rнач, Rкон зависят от начальной и конечной толщин одиночного слоя или пластины, значений n1, n2, n3. Для многослойных систем Rнач, Rкон определяются структурой слоев и родом их материалов.

d' = /(2n2)

Рис. 5.2. Изменение во времени коэффициента отражения нагреваемой плоскопараллельной пластины

Изменение геометрической толщины слоя или пластины может происходить под воздействием изменения температуры Т = Т – Т0, где Т и Т0 – текущее и начальное значения температуры объекта. Полагая показатель преломления материала пластины n2 не зависящим от температуры, что допустимо для небольших изменений T, можно записать для термического изменения толщина пластины δd(Т) = т d (T – Т0 ), где т – относительный ко-

45

эффициент линейного термического расширения материала пластины, К–1. Таким образом, зная исходные физические и геометрические параметры пластины, по значению δd можно контролировать изменение температуры пластины.

Описание лабораторной установки. В установке используется

He–Ne-лазер с длиной волны генерации = 632.8 нм, излучение которого с помощью светоделительной пластины (СП) направляется на имитатор – стеклянную пластину, толщина которой может изменяться под воздействием тепла от нагревателя (рис. 5.3).

~220 В

Рис. 5.3. Структурная схема установки

Сигнал, отраженный от пластины, регистрируется фотоприемником, усиливается и подается на цифровое самопишущее устройство (ЦСУ). Управление ЦСУ осуществляется при помощи компьютерной программы DiSco. На монитор компьютера выводятся временные зависимости R = f (t) для исследуемых объектов и режимов.

Стеклянные пластины, клиновидность которых определяется в работе, закрепляются в держателях и устанавливаются при проведении измерений на корпусе имитатора. Интерференционные картины наблюдаются в увеличенном линзой масштабе на экране.

Порядок выполнения работы

1.Последовательно включить блок питания лазера, усилитель сигнала

сфотоприемника и компьютер.

2.Запустить программу DiSco на рабочем столе компьютера.

46

3. Нажать кнопку “Запуск” на панели управления программой зарегистрировать поведение Rнач в течение 2 мин.

4.Включить резистивный нагреватель пластины-имитатора.

5.Зарегистрировать функцию R(t) в течение 20 мин. Зарисовать от-

дельные участки функции R(t) в различных масштабах и всю функцию R(t) в пределах времени контроля.

6.Выключить нагреватель и зарегистрировать функцию R(t) при естественном остывании пластины (10 мин) и при включенном вентиляторе

(10 мин).

7.Повторить пп. 5–8 для других пластин.

8.Установить на пути падающего лазерного пучка держатель с клиновидной пластиной. Определить по экрану шаг интерференционной картины

lэ для нескольких клиновидных пластин и зарисовать сами интерференционные картины.

Содержание отчета

1.Цель и содержание работы, структурная схема установки.

2.Временные зависимости R(t) при нагревании и охлаждении пластин с указанием масштаба времени.

3.Расчет функции изменения толщины пластины δd(t) при нагревания

иохлаждении пластины при n2 = 1.5 и n1 = n0 =1.

4.Расчет функции температуры пластины Т(t) при линейном коэффи-

циенте термического расширения стекла T = 40 10–7 К–1, начальной толщине пластины d = 4 мм, начальной температуре пластины 20 °С.

5.Расчет углов клиновидности пластин.

6.Выводы по работе.

Список рекомендуемой литературы

Пихтин А. Н. Квантовая и оптическая электроника. М.: Абрис, 2012. Смирнов Е. А. Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства:

учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2010.

Смирнов Е. А., Киселев А. С. Основы лазерной техники: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2015.

47